质量单位——千克的重新定义

质量单位——千克的重新定义

一

 千克定义的由来

    质量单位千克是国际单位制（International System of Units，SI）的七个基本单位之一，最初的定义始于1791年，它与长度单位有关，规定1立方分米的纯水在4摄氏度时的质量为1千克。18世纪末期，法国科学院计划将克作为质量基本单位，并制作实物基准器。但受工艺和测量技术所限，只能制造出质量是克的1000倍的标准器，千克原器由此而来。这也是国际单位制中质量单位是千克而不是克的主要原因。因此，千克成为唯一带有国际单位制词头的基本单位。1879年，英国Johnson-Matthey公司制造了3个圆柱体砝码（KI、KII、KIII）作为国际千克原器的备选样品。1880年，经过对3个圆柱体砝码的多次测量和校准，证明了KIII与千克档案中记录的质量一致。1882年，KIII作为国际千克原器，由国际计量局（BIPM）保管。1889年，第一届国际计量大会（CGPM）将国际千克原器（International Prototype of Kilogram，IPK）的质量定义为1千克。

国际千克原器是一个高和底面直径均为39毫米的正圆柱体。它由铂铱合金制成，其中铂含量为90%，铱含量为10%，合金密度约为21500千克/米3。铂的稳定性符合千克原器的要求，铱可增强其耐腐蚀性。

　　1889年，BIPM共复制了40个与IPK同样尺寸的铂铱合金圆柱体砝码，经过与国际千克原器比对后，BIPM把其中的一些砝码分发给《米制公约》成员国作为国家基准（National Prototype），并保留了6颗作为官方复制品（Official copies）。此外，BIPM还保留了一些复制品作为工作基准以及特殊用途的基准。在第二次世界大战前，拥有国际千克原器复制件被视为国家荣耀；在二战期间，战胜国对战败国的惩罚之一就是夺取其国际千克原器的复制件。截至2016年，BIPM制造的千克原器共110个。

　　从1889年到1989年的100年间，BIPM以IPK为参考对BIPM保存的6颗官方复制品和各个会员国的国家基准进行了3次周期比对验证。比对结果表明，6颗官方作证基准及其质量值变化了50微克。作为唯一实物基准的国际千克原器的稳定性受到科学家们的质疑，科学家们开始致力于质量单位的重新定义。有科学家提出，可以使用自然界中的基本物理常数来重新定义质量单位。因为这些物理常数的定义不会改变，用它们来定义包括千克在内的基本单位，就再也不用担心随时间推移会影响单位的量值了。

　　2013年，国际质量及其相关量咨询委员会制定了千克重新定义的路线图，给出了千克重新定义需要满足的4个条件，起草了千克重新定义的指南，希望在2018年国际计量大会上采用普朗克常数重新定义千克。

二

 重新定义后带来的影响

　　质量是物理学中最基本的概念之一，它的内涵随着科学的发展而不断完善。大至天体和星系的宏观世界，小至原子和基本粒子的微观世界，凡是物质都具有质量。

　　用恒定不变的量——普朗克常数重新定义千克后，使质量基本单位更加稳定，量值传递更加可靠，不再担心国际千克原器丢失、损坏给全球质量量值统一带来毁灭性的灾难。重新定义“千克”意味着科学技术的发展可使质量测量变得更科学、更合理、更精确。从科学的角度来看，质量测量在航空航天、智能交通、高速铁路、汽车制造、生物医药、化学制品、半导体材料、火箭配药等领域都起着至关重要的作用。

　　国际计量委员会（CIPM）于2005年起草了关于采用基本物理常数定义部分SI基本单位的框架草案，建议采用普朗克常数h、波尔兹曼常数k、阿伏伽德罗常数NA等基本物理常数定义质量单位kg、温度单位K和物质的量单位mol，从而改变基本单位自有定义以来，依赖于实物的历史。第24届国际计量大会正式批准7个基本单位定义在基本常数上的建议。

　　采用SI基本单位的新定义后，基本物理常数将与真空中的光速一样，成为无误差常数。基本物理常数的不确定度整体上会有很大提升，这对于科学研究和社会方方面面将带来很多影响。

　　根据国际计量委员会单位制委员会（CCU）的建议，千克的新定义为：千克，符号kg，是质量的SI单位。它采用普朗克常数h的固定数值6.62607015×10^-34定义，其单位为Js，等于kg m² s^-1，其中米和秒是依据c和Δν_Ca定义。即1千克为“对应普朗克常数为6.6260701475×

10-34Js时的质量”。

　　目前全面实现国际计量单位量子化定义的条件已经基本具备，第26届国际计量大会将于2018年11月对新的国际计量单位定义进行表决。表决通过后，2019年5月20日“世界计量日”起将正式实施全面重新定义的国际计量单位制。

三

 我国为应对千克重新定义开展的研究

　　根据千克重新定义指南的描述，千克重新定义涉及两方面的重点研究工作，一方面是量值复现研究，另一方面是量值传递研究。

　　针对普朗克常数的精密测量及千克单位的重新定义，目前国际上占主流的方案有两种：

　　1.基于电学量子基准（量子化霍尔电阻基准、约瑟夫森量子电压基准）测定普朗克常数h的“功率天平”方案。

　　2.X射线单晶密度法（硅球方案）测定阿伏伽德罗常数N_Ａ，进而也可得到普朗克常数h的量值。

　　功率天平方案由英国国家物理实验室（NPL）的Kibble博士于1975年提出，此后，陆续有美国国家标准与技术研究院（NIST）、瑞士计量院（METAS）、法国计量院（LNE）、国际计量局（BIPM）和加拿大国家计量院（NRC）等采用功率天平方案开展研究，历时10~30年不等。近年来，新西兰、韩国、土耳其也开展了类似的研究，德国计划于近期开始“功率天平”项目的研究，英国NPL于2009年将其研制的“功率天平”装置转让给了加拿大NRC，近期NPL计划重启该项目的研究。这说明国际上对于千克单位的重新定义非常重视和关注。鉴于千克单位重新定义这项工作的难度，它被Nature杂志评为当今世界的六大科学难题之一。

　　我国积极参与这一重大变革，否则将来无法独立复现质量单位，而需要溯源到其他国家，造成我国技术主权的不完整。为应对这一重大变革，张钟华院士团队于2006年提出了一种基于电磁能量与机械势能平衡的“能量天平”新方案，其特点是测量结果只与天平中线圈的静态位置有关，而线圈运动过程中产生的动态误差则可被消除。由于我们采用了不同原理的方案而备受国际关注，采用不同原理的方案进行测试并相互验证是科学研究中经常采用的方法，如果测量结果能够在不确定度允许的范围内一致，将更有说服力。

　 　2007年，在国家科技部支撑计划的支持下，能量天平项目开始原型验证阶段的研究。于2011年研制成原型验证装置，经一系列优化改进后，不确定度达到2.6×10^-6，完成了能量天平的原理验证。2013年中期起，项目组在前期经验的基础上，开始第二代能量天平试验装置的研制，于2016年完成新装置全部硬件、软件系统的研制和调试，并实现了真空测量。2017年5月，向国际科学数据委员会基本物理常数任务组（CODATA TGFC）提交了测量结果，不确定度为2.4×10^-7。

　　 自2007年以来各国陆续发布测量结果，其中2017年各国发表的数据中，加拿大NRC的不确定度为9.1×10^-9，美国为1.3×10^-8，以德国为主导的IAC采用新硅球得到的不确定度为1.2×10^-8，日本NMIJ的不确定度为2.4×10^-8。我国在2017年5月提交的测量结果不确定度为2.4×10^-7，与国外相比有一定差距。该项目的研究人员目前正在抓紧研究，预期在近2~3年内可达到10^-8量级的不确定度水平。

　　千克重新定义使用的功率天平法、能量天平法、X射线晶体密度法等都是在真空条件下实现普朗克常数的测量，与空气中质量量值传递方法有着本质的区别。为了在千克重新定义后，在真空条件下更精准、更可靠地完成质量量值传递工作，中国计量科学研究院质量实验室从2013年开始致力于质量单位重新定义以后量值传递关键技术的研究。量值传递关键技术研究主要包括表面吸附研究、空气浮力修正研究、真空传递关键技术研究、真空质量测量关键技术研究等。2016年年底自主研制了砝码表面吸附测量装置、空气浮力修正装置和真空质量测量装置，实现了真空条件下1千克砝码的测量不确定度优于3.0×10^-8。